Observar los fenómenos de reflexión y refracción en espejos y lentes para determinar las características básicas de la formación de imágenes.

Transcripción

1 Instituto Tecnológico de Ciudad Juárez Laboratorio de Física Física General Práctica # 4 Espejos y lentes I. Introducción. Los fenómenos de reflexión y refracción están presentes en nuestra vida diaria: cuando nos vemos en un espejo, sabemos que la imagen enfrente es una reflexión más o menos precisa de nuestra cara, dependiendo de la calidad del espejo. Estamos familiarizados con instrumentos ópticos que utilizan lentes, como binoculares, telescopios, microscopios, etc. Las imágenes formadas por espejos están relacionadas con el fenómeno de reflexión de la luz. Las imágenes formadas por lentes están relacionadas con el fenómeno de refracción de la luz. La luz está considerada como ondas electromagnéticas. La óptica geométrica describe el comportamiento de las ondas de luz por medio de rayos perpendiculares a los frentes de onda provenientes de los objetos. II. Objetivos de la Práctica. Observar los fenómenos de reflexión y refracción en espejos y lentes para determinar las características básicas de la formación de imágenes. III. Material. Espejos planos Lentes convexos y cóncavos Plastilina transportador Fuentes de rayos de luz Mesa básica de óptica Lente en forma de D

2 IV. Procedimiento 1. Espejos planos. En la Figura 1 se muestra un rayo de luz incidente en un espejo plano. Cómo crees que será el rayo reflejado del espejo? Coloca el espejo sobre la plastilina en forma vertical. Lanza rayos de luz desde diferentes direcciones y mide el ángulo entre la normal y el rayo incidente, y entre la normal y el rayo reflejado. Cuál es el comportamiento del rayo de luz cuando es reflejado por un espejo plano? Coloca tu cara a la altura de la mesa y mide la distancia entre tu cara y el espejo, así como la distancia entre el espejo y la imagen que se formó. Observa como son el tamaño de tu cara y el tamaño de la imagen de tu cara. Escribe las distancias que mediste, el tamaño de tu cara y el tamaño de la imagen de tu cara en el esquema que se muestra abajo: espejo

3 Sobre el mismo esquema, dibuja rayos de luz provenientes de tu cara al espejo. Marca con línea entera los rayos que verdaderamente salen de tu cara y con línea punteada los que parece que continúan para formar la imagen de tu cara. Una imagen es real cuando está formada por rayos que verdaderamente salen de tu cara. Una imagen es virtual cuando se forma con rayos que parece que vienen de tu cara. Escribe las características que observaste en la formación de imágenes en espejos planos, como distancia, tamaño, y si es real o virtual, etc. 2. Espejos cóncavos y convexos. Suponiendo que se tienen varios rayos paralelos, como se muestra en la Figura 2, cómo colocarías varios espejos para que los rayos reflejados pasen por un punto en común? Espejos punto en comun Comprueba tus predicciones utilizando la fuente de luz y los espejos planos. Si tus predicciones no fueron ciertas, explica la razón y dibuja el esquema que si funcionó. Si consideramos este conjunto de espejos como un solo espejo, entonces hemos construido un espejo cóncavo. También se les llama espejos convergentes, porque los rayos convergen hacia un punto.

4 Los tres rayos principales que determinan el tamaño y la posición de las imágenes son: Proviniendo de la parte superior del objeto: 1. Un rayo que es paralelo al eje y que se refleja a través del eje focal. 2. Un rayo que pasa por el punto focal y que se refleja en forma paralela al eje. 3. Un rayo que pasa por el centro de curvatura y se refleja sobre el mismo. En la Figura de arriba se observan los dos primeros rayos. Observa tu imagen en un espejo cóncavo, ubícate en varias posiciones y dibuja los tres rayos principales en cada una de las posiciones. En el centro de curvatura C Entre el centro de curvatura C y el foco f En el foco f

5 Si ahora colocamos los espejos con la curvatura opuesta, construiremos un espejo convexo. También se le llama espejo divergente porque los rayos de luz divergen del espejo. Escribe los cambios en la formación de imágenes que crees se generaran como consecuencia de este cambio: Dibuja el espejo y los tres rayos principales para este nuevo caso: espejo Elabora esquemas y describe las características de la formación de imágenes al colocarte en diferentes posiciones cuando utilizas un espejo convexo. En el centro de curvatura C Entre el centro de curvatura C y el foco f En el foco

6 3. Lentes. Utiliza la mesa básica de óptica con la lente en forma de D en el centro (Figura 3). Coloca la fuente de luz para que un rayo pase a través de la parte plana con un ángulo de 0. Cambia la dirección en la que incide el rayo de luz rotando la mesa de óptica, y dibuja tus observaciones: Coloca el lente en forma de D para que el rayo de luz pase a través de la parte curva. Observa la trayectoria del rayo de luz al cambiar la dirección en la que incide y dibuja tus observaciones: El fenómeno que observas es la refracción de la luz al pasar de un medio (aire) a otro medio (plástico). Los rayos de luz viajan a mayor rapidez en el aire que en un medio transparente como el plástico. Esta diferencia de rapidez de la luz en diferentes sustancias es descrita por el índice de refracción n: La razón entre la velocidad de la luz en el vacío y la rapidez de la luz en la sustancia. Los rayos de luz se desvían dependiendo del ángulo de incidencia. La ley de refracción establece que: los rayos de luz se desvían hacia la normal (eje perpendicular a la superficie) si la rapidez de la luz

7 en el segundo medio es menor que la rapidez de la luz en el primer medio. Los rayos se desvían alejándose de la normal si la rapidez de la luz es mayor en el segundo medio que en el primer medio. Lentes convergentes Una lente convergente tiene superficies esféricas en ambos lados, como se muestra en la Figura 4. De acuerdo a la Ley de refracción, los rayos de luz se desvían hacia la normal en la primera superficie (De aire a vidrio) y se alejan de la normal en la segunda superficie (De vidrio a aire). Si las dos superficies son convexas, cada uno de los rayos se dirige hacia el eje (línea que pasa por el centro de la lente, perpendicular a este). A la distancia del centro de la lente al punto focal (el punto medio entre el centro de curvatura de la esfera y el centro de la lente), se le llama distancia focal f. Existe otro foco y distancia focal situados en el otro lado de la lente. Es posible predecir la ubicación, posición y tamaño de la imagen utilizando los tres rayos principales que estudiamos en la parte 2 de esta práctica. En este caso: 1. Un rayo que viaja paralelo al eje, partiendo de la parte superior del objeto, se desviara pasando por el punto focal en el lado opuesto. 2. Un rayo que proviene del punto focal cercano, se desvía en forma paralela al eje en el lado opuesto. 3. Un rayo que pasa por el centro de la lente no se desvía al pasar hacia el lado opuesto de la lente.

8 Cambia la ubicación de un objeto enfrente de una lente convergente y dibuja tus observaciones: Lentes divergentes Una lente divergente tiene superficies esféricas cóncavas en ambos lados, como se muestra en la Figura 5. Los rayos se desvían del eje de tal forma que parece que se originan en el punto focal en el mismo lado en que se encuentra el objeto.

9 Utilizando los rayos principales para este caso, tenemos: 1. El rayo que de la parte superior del objeto en forma paralela al eje, se desvía del eje, como si partiera del punto focal cercano al objeto. 2. El rayo que se dirige hacia el punto focal del lado opuesto al del objeto, se desvía en la parte central de la lente en forma paralela al eje en el otro lado. 3. El rayo que pasa por el centro de la lente pasa sin desviarse. Cambia la ubicación de un objeto enfrente de una lente divergente y dibuja tus observaciones: